Suomalaisessa tai muualla Pohjoismaisessa teollisuudessa käytössä olevista sähkösaattolämmitysten nykytilasta ei ole julkista tietoa saatavilla, joten järkevimmäksi tavaksi tämän tiedon saamiseksi osoittautui kyselytutkimus, jossa alan toimijoilta kysyttiin sähkösaattojärjestelmän nykytilaa. Julkisen tiedon puutteesta huolimatta voidaan tehdä oletus, että Suomen ja mahdollisesti Pohjoismaiden suurin yksittäinen sähkösaattolämmitysten keskittymä sijaitsee Kilpilahden teollisuusalueella Porvoossa, joka on Pohjoismaiden suurin öljynjalostuksen ja petrokemian klusteri.
Tulevaisuuden muutostekijöiksi on nähtävissä ilmastonmuutos ja sen myötä jatkuvasti tiukentuvat päästörajoitukset, jotka tulevat vauhdittamaan teollisuuden sähköistymistä entisestään. Suomessa ja Pohjoismaissa on tällä hetkellä käynnissä useita teollisuuden hankkeita, joiden tavoitteena on vähentää fossiilisten polttoaineiden käyttöä ja hiilidioksidipäästöjä. Lisäksi teollisuuden kansainvälisen kilpailun jatkuvasti koventuessa on
pyrittävä kehittämään kustannustehokkaita ja kestävän kehityksen mukaisia tapoja kilpailukyvyn ylläpitämiseksi ja sen parantamiseksi. Yhtenä energiatehokkaana keinona päästöjen vähentämiseen on sähkösaattolämmitysten käyttö höyryn tuottamisen ja höyrysaattolämmitysten sijasta sekä sähkösaattolämmitysten häviökustannusten minimointi ja järjestelmäkokonaisuuden optimointi, johon tämä diplomityö pyrkii. Käynnissä olevia Pohjoismaisia hankkeita ovat muun muassa Neste Oyj:n E-fuel-hanke, jossa tavoitellaan nykyistä korkeampaa hyötysuhdetta sähköpolttoaineiden tuotannolle (VTT 2021) ja SSAB:n, LKAB:n ja Vattenfallin HYBRIT-hanke, jonka tarkoituksena on fossiilivapaa teräksen tuotanto (HYBRIT 2021). Eräs suunnitteilla oleva hanke on muun muassa projekti, jonka tarkoituksena on valmistaa muovituotteita kemiallisesti kierrätystä raaka-aineesta Stenungsundissa Ruotsissa.
(ICN 2021)
2 SÄHKÖSAATTOLÄMMITYKSET TEOLLISUUDESSA JA NIIDEN HISTORIAA
Sähkösaattolämmityksellä tarkoitetaan sähköjärjestelmää, jonka tarkoituksena on kompensoida lämmitettävän kohteen lämpöhäviö ympäröivään ilmastoon nähden. Teollisuudessa lämmitettäviä kohteita ovat muun muassa putkistot, säiliöt, instrumentit ja muut prosessilaitteet.
Sähkösaattojärjestelmän tärkein osa on sähkölämmityskaapeli, joka kiinnitetään lämmitettävän kohteen pintaan joko suoraan tai johtavan väliaineen välityksellä. Lämmönsiirto kaapelista kohteeseen tapahtuu johtumalla.
Sähkösaattolämmityksiä käyttäviä teollisuuden aloja ovat muun muassa öljy-, kaasu-, kemian-, elintarvike- ja lääketeollisuus. Globaalisti suurin sähkösaattojen markkina-alue on Pohjois-Amerikka, johtuen pohjoisesta sijainnista ja suurista teollisuuslaitoksistaan. (businesswire 2020) Saattolämmitysten historia alkaa 1900-luvun alusta, jolloin teollisuuden pääasiallinen saattolämmitysmuoto oli höyrysaatto. Höyryä oli saatavilla useiden ydinprosessien sivutuotteena, jolloin se oli lämmitysenergiamuotona kyseisille teollisuuslaitoksille ilmainen, sillä sitä ei tarvinnut ostaa tai erikseen tuottaa. Höyrysaattojen haasteina olivat kuitenkin tarkan lämpötilan säädön puute, kunnossapitokustannukset sekä energiankulutus, sillä höyryjärjestelmä itsessään tuottaa enemmän lämpöä kuin olisi tarpeen lämpöhäviön kompensoinnin kannalta. (Electrical Review 2020) Toisen maailmansodan jälkeen öljyteollisuuden alan kasvaessa tarvittiin tehokkaampia lämmitysmuotoja höyrysaattojen rinnalle. (National Institutes of Health 2015)
Ensimmäinen sähkölämmityskaapeli kehitettiin 1930-luvulla, tuohon aikaan kaapeli oli lyijypinnoitettu. (Malone & Davenport 1996) Alkuvuosina sähkölämmityskaapeleiden käytön haasteina olivat liian korkeat pintalämpötilat, jotka aiheuttivat kaapeleiden ylikuumenemisia ja tulipaloja. Kenttälaitteiden liitännät, tiivisteet ja kytkentäpisteet olivat myös tuohon aikaan vielä heikkoja. (Heating and Process 2016) Ensimmäiset sähkölämmityskaapelit olivat hyvin alkeellisia, lämpötilan säätöä varten ei ollut ohjainlaitetta tai ohjausjärjestelmää eikä kenttälaitteita ollut valmistettu asianmukaisista materiaaleista. Mineraalieristeiset sähkölämmityskaapelit ja rinnakkaisresistanssikaapelit kehitettiin 1950-luvulla. Tuolloin sähkölämmityskaapelit olivat jo asianmukaisia ja niitä varten oli kehitetty lämpötilan säätöön soveltuvat termostaatit, jotka tosin olivat vielä alkeelliset ja muista laitteista
sähkösaattokäyttöön muunnellut, joten lämpötilan säätö ja valvontakaan eivät olleet kovin tarkkoja. (Electrical Review 2020)
1950-luvulla sähkölämmityskaapelit kehittyivät ja vähitellen niistä tuli potentiaalinen vaihtoehto höyrysaatolle erityisesti pitkissä putkilinjoissa, sillä höyrysaaton pituus oli rajallinen, vain 60 m sekä kohteissa, joissa höyry oli epäkäytännöllinen lämmitysmuoto tai sitä ei ollut saatavilla. (Malone & Davenport 1996) Mineraalieristeisten lämmityskaapeleiden haasteena oli kuitenkin puuterimaisen, eristeenä toimivan magnesiumoksidin hygroskooppisuus ja sen aiheuttama kosteuden imeytyminen kaapelin sisään, joka johti herkästi kaapelin rikkoutumiseen. (Electrical Review 2020)
1950-luvun loppupuolella kustannusero höyrysaaton ja sähkösaaton välillä alkoi kasvamaan dramaattisesti pitkien öljyn, asfaltin ja erilaisten vahojen siirtoon käytettävien putkilinjojen myötä. Sähkösaatto osoittautui höyrysaattoon nähden lähes huoltovapaaksi, järjestelmä tarvitsi vähemmän komponentteja ja lämmitystehoa pystyttiin ohjauksen avulla käyttämään tarpeen mukaan. (Bilbro & Leaviness 1969) 1960-luvulla sähkösaattolämmitys saavutti potentiaalisen kilpailuaseman höyrysaattolämmitykselle, lämpötilan säätö- ja valvontatekniikan edelleen kehittyessä tarkemmaksi. (Heating and Process 2016)
Yksi merkittävimmistä virstanpylväistä saavutettiin, kun itsesäätyvät muovipinnoitteiset sähkölämmityskaapelit tulivat markkinoille 1970-luvun alkupuolelle. (Electrical Review 2020) Niiden toiminta perustuu sähkönjohtimien väliaineena olevan, hienojakoista hiiltä sisältävän johtavan polymeerin sähkön johtavuuden muutokseen. Sähkönjohtavuuden muutos perustuu lämpötilaan ja sen aiheuttamaan johtavien hiilipartikkelien ketjujen muutokseen, joita kylmä supistaa ja tekee väliaineesta sähköä johtavan, lämmin ja kuuma taas laajentaa tekee väliaineesta eristeen. (RSC 1998) Sähkölämmityspiirien ohjaus ja säätö perustui kuitenkin tuohon aikaan pääasiassa kapillaaritermostaattiin ja kontaktoriohjaukseen. 1980-luvulla sähkösaattolämmitysten suunnittelun tueksi alettiin kehittämään ja julkaisemaan tietokonepohjaisia suunnitteluohjelmistoja. 1990-luvulla laajojen sähkösaattojärjestelmien hallitsemiseksi ja kunnonvalvontaan kehitettiin tietokonepohjainen ohjaus- ja valvontajärjestelmä. (Candelier et al. 2015) Vähitellen kunnonvalvonnan piiriin otettiin mukaan kuorma- ja vuotovirrat ja seuraava askel oli selainpohjainen valvontaohjelmisto tehtaan omaan verkkoon. 2000-luvulla langaton teknologia alkoi tehdä tuloaan toimialalle muun muassa ohjausjärjestelmän muodossa. (Adam et al. 2001)
Tulevaisuudessa ja jo tälläkin hetkellä sähkösaattojärjestelmän ohjaus- ja valvonta tulee perustumaan entistä enemmän ennakoivan kunnossapidon tukena toimivaan IoT-teknologiaan, online data-analytiikkaan sekä koneoppimiseen ja tekoälyyn. Valvontajärjestelmä voidaan opettaa tunnistamaan lämmityskaapelin normaali käyttäytyminen ja muutosten perusteella voidaan ennakoida esimerkiksi tulevaa uusintainvestointitarvetta tai paikantaa huonosti lämmitettävään kohteeseen kiinnitetty sähkölämmityskaapeli. (Piirainen 2021)
Sähkösaattolämmitys on ollut teollisuuden lämmitysmuotona käytössä 1930-luvulta lähtien ja jo lähes 100 vuotta käytössä ollut tekniikka jatkaa edelleen kehitystään. Tulevina vuosikymmeninä tekniikan voidaan olettaa kehittyvän kohti IoT teknologiaa ja puolijohdetehonsäätöä. (Piirainen 2021)
Suomeen ensimmäiset sähkösaattolämmitykset saapuivat teollistumisen myötä 1950-luvulla ja vielä 1970-luvulla asennettujen sähkölämmityskaapeleiden tiedetään olevan edelleen toimintakuntoisia. Tekniikka on perustoiminnoltaan erityisesti vakiovastuskaapeleilla hyvin yksinkertainen ja oikein suunniteltuna sekä asennettuna toimintavarma, joten niiden teknisen käyttöiän ennuste on korkea.
3 LÄMMÖNSIIRRON PERUSTEITA
SÄHKÖSAATTOLÄMMITYSTEN NÄKÖKULMASTA
Kolmannessa luvussa käsitellään teoreettisesti ja tiivistetysti termodynamiikkaa ja lämmönsiirron perusteita sähkösaattolämmitysten näkökulmasta. Lämpöhäviöiden muodostuminen on perimmäinen syy ja fysikaalinen ilmiö sille, että pelkkä lämpöeristys ei usein riitä ja putkistoja, säiliöitä sekä muita ulkoilmassa olevia prosessilaitteita on tarve pitää sulana tai niiden lämpötilaa on tarve ylläpitää sähkösaattolämmityksillä lämpöhäviöiden kompensoimiseksi.